当科学家检测一种名为 Oligohymenophorea sp. PL0344 的未知原生生物时，意外出现了。通常告诉细胞停止制造蛋白质的两个遗传信号承担了完全不同的功能。更引人注目的是，这两个信号被重新分配给了两种不同的氨基酸，打破了科学家认为由进化紧密联系在一起的模式。
这项于2023年10月发表在《PLOS Genetics》上的发现，揭示了生命最基础的生物系统之一具有出人意料的灵活性。后续研究在相关微生物中发现了更多的遗传密码变异，表明微观世界中可能还有更多惊喜等待着我们去发现。
淡水池中的意外遗传发现
Jamie McGowan博士在厄勒姆研究所担任博士后科学家期间，在研究一种采自英国牛津大学公园池塘的原生生物时做出了这一发现。
该项目最初旨在测试一种能够分析极微量遗传物质（甚至可能仅来自单个细胞）的DNA测序方法。McGowan与厄勒姆研究所的科学家以及牛津大学Thomas Richards教授领导的研究小组合作开展了这项工作。
研究人员并没有调查遗传密码的进化，而是试图改进可用于研究在实验室中难以培养和分析的生物的工具。
但当他们组装并检查该生物的基因组时，他们注意到了一些意想不到的事情。这种原生生物属于一个以前未被识别的物种，其遗传指令似乎按照一套不寻常的规则运作。
McGowan博士说：“我们选择这种原生生物来测试我们的测序流程纯属运气，它恰恰展示了外界的存在，突显了我们对原生生物遗传学的了解是多么匮乏。”
什么是原生生物，它们为什么如此不寻常？
原生生物是地球上最多样化且最不被了解的生物类群之一。许多原生生物仅由一个细胞组成，小到不用显微镜就无法看到。常见的例子包括变形虫、各种藻类和硅藻，这些微生物通常存在于水生环境中。
然而，并非所有原生生物都很微小。这个广泛的类别还包括海带、黏菌和红藻等生物，其中一些会长成巨大、复杂的结构。
这个类群如此多样，以至于科学家通常通过排除生命的其他主要分支来定义其成员。
“原生生物的定义很宽泛——本质上它是任何不是动物、植物或真菌的真核生物，”McGowan博士说。“这显然非常笼统，这是因为原生生物是一个极其多变的类群。
“有些与动物的亲缘关系更近，有些与植物的亲缘关系更近。既有捕食者也有猎物，既有寄生虫也有宿主，既有游动者也有固着者，有些饮食多样，而另一些则进行光合作用。基本上，我们很难做出什么概括。”
真核生物是指细胞内含有细胞核的生物，细胞核是一个专门容纳其大部分遗传物质的区室。人类、其他动物、植物、真菌和原生生物都属于这个广泛的类别。
处于这一发现中心的生物属于一种名为纤毛虫的原生生物类群。这些生物通常使用被称为纤毛的微小毛发状结构游动，这些纤毛以协调的模式运动，推动它们在水中穿行。
纤毛虫广泛分布于淡水和海洋环境中。它们对遗传学家来说也特别有趣，因为一些纤毛虫进化出了破译DNA指令的不寻常方式。
遗传密码如何告诉细胞何时停止
要理解为什么这一发现如此出人意料，了解一下细胞如何将遗传信息转化为蛋白质会有所帮助。
DNA就像一本说明书，储存着细胞构建和维持其结构所需的信息。然而，这些指令必须被翻译成物理分子，才能执行生物功能。
这个过程始于DNA片段被复制成信使RNA（messenger RNA），这是一种将遗传指令携带到细胞蛋白质制造机器的分子。
然后，一种名为核糖体的结构每次读取RNA序列的三个字母。每三个字母为一组，被称为密码子，大多数密码子指定一种作为蛋白质构建模块的氨基酸。
随着氨基酸的连接，它们形成一条可以折叠成三维结构的链。生成的蛋白质可以作为酶发挥作用，提供结构支持，运输分子，或执行无数其他的细胞任务。
在DNA表示法中，蛋白质编码序列通常以起始密码子（ATG）开始，以终止密码子（通常是TAA、TAG或TGA）结束。
这些终止密码子的作用类似于标点符号。它们告诉核糖体已经到达特定蛋白质指令的末端，应该释放已完成的链。
当指令被复制到RNA中时，字母T被U取代。因此，RNA中相应的终止密码子被写为UAA、UAG和UGA。
在大多数生命形式中，这些信号在极其漫长的进化历史中一直保持着相同的基本功能。
但大自然偶尔也会找到绕过常规规则的方法。
科学家发现两种具有不同含义的遗传终止信号
几十年来，研究人员一直知道有些生物使用修改版的遗传密码。这些变异在整个生命界并不常见，但纤毛虫中却有丰富的例子。
在某些纤毛虫中，终止密码子进化为指定氨基酸，而不是终止蛋白质的生产。
直到最近，有一个模式似乎特别一致。两个常规的终止密码子TAA和TAG几乎总是保持相同的含义。当它们的功能发生改变时，两者通常都会指定同一种氨基酸。
这表明这两个信号受到约束，只能共同进化。
“在我们知道的其他几乎所有案例中，TAA和TAG都是协同变化的，”McGowan博士解释道。“当它们不是终止密码子时，它们各自指定相同的氨基酸。”
Oligohymenophorea sp. PL0344的基因组讲述了一个不同的故事。
TAA和TAG并没有作为终止信号发挥作用，而是似乎编码完全不同的氨基酸。TAA指定赖氨酸，而TAG指定谷氨酸。
这两种氨基酸都是蛋白质的常见成分，但它们具有不同的化学性质和生物学作用。
与此同时，TGA仍然是该生物唯一的常规终止密码子。
这些发现代表了首个被报道的遗传密码案例，其中TAA和TAG都被重新分配以编码两种不同的氨基酸。
这一区别很重要，因为它表明这两个密码子之间的进化关系并不像科学家假设的那样具有严格的限制性。
“这极其不寻常，”McGowan博士说。“我们不知道还有其他任何案例中这些终止密码子与两种不同的氨基酸相关联。它打破了一些我们自以为熟知的基因翻译规则——这两个密码子曾被认为是耦合的。”
这种微生物如何使不寻常的密码发挥作用
进一步的调查揭示了这种原生生物如何凭借其非传统的遗传指令运作的线索。
研究人员鉴定了与重新分配的密码子相关的专门转运RNA（transfer RNA）基因。转运RNA分子在蛋白质生产过程中充当翻译员，帮助将信使RNA中的指令与正确的氨基酸匹配。
它们的存在支持了这一结论，即这种不寻常的遗传密码是该生物的真实特征，而不是测序错误。
研究团队还在紧随蛋白质编码序列之后的DNA区域中发现了数量异常多的TGA终止密码子。
这些额外的终止信号可以充当备份系统。如果核糖体意外地越过了蛋白质的预定末端继续读取，第二个终止密码子可能会阻止它将蛋白质过度延长。
对于仅依赖三种常规终止密码子之一的生物来说，这种保护可能尤为宝贵。
尽管研究人员无法确切确定这种不寻常的密码是如何进化的，但这些发现表明，负责翻译遗传信息的机制比人们以前认为的要适应性强得多。
后续研究揭示更多遗传密码惊喜
最初的发现也为一个更广泛的问题打开了大门：还有多少其他微生物正在使用科学家尚未认识的遗传密码？
2024年12月，McGowan及其同事在《PLOS Genetics》上发表了补充研究结果，表明不寻常的遗传密码变化已在其他几个纤毛虫谱系中独立发生。
该团队调查了一群被称为叶咽纲（Phyllopharyngea）的纤毛虫的遗传信息，其中包括通过TARA Oceans项目收集的基因组数据，该项目是一项研究海洋生物及其遗传多样性的国际努力。
他们的分析鉴定出三种以前未培养的纤毛虫物种，在这些物种中，通常是终止密码子的UAG似乎转而指定亮氨酸。
这些生物来自与北冰洋和南大洋相关的样本。
研究人员还检查了现有的基因组数据集，并鉴定出另外两种纤毛虫——Hartmannula sinica和Trochilia petrani，在这两种纤毛虫中，UAG似乎编码谷氨酰胺。
进化比较表明，这些变化至少在三次场合下独立产生。
重要的是，这些遗传密码与在Oligohymenophorea sp. PL0344中发现的不寻常系统并不相同。在2024年研究的五种纤毛虫中，UAA仍然是终止信号，而UAG则获得了不同的含义。
即便如此，这些发现仍提供了进一步的证据，表明这两个遗传信号并不总是必须共同进化。
最初的发现并非孤立的奇观，它帮助阐明了纤毛虫中遗传密码灵活性的一种更广泛的模式。
科学家仍在揭示隐藏的原生生物多样性
在微观生物中寻找意外生物学的努力已超越了遗传密码本身。
2026年3月，厄勒姆研究所和牛津大学的研究人员报告了另一项得益于单细胞测序技术而取得的发现。
他们的研究发表在《Microbial Genomics》上，调查了Bodo（波多虫属），这是一群常见于淡水、半咸水和土壤中的原生生物。
通过分析仅仅七个未培养的细胞，科学家鉴定出三个以前未被识别的进化谱系，每个谱系都与其体内生活的独特细菌伙伴相关联。
这项工作并没有证明与PL0344中相同的遗传密码变化。相反，它表明当研究人员主要依赖易于在实验室培养的生物时，有多少生物多样性仍然处于隐藏状态。
连同遗传密码的发现，这些结果证明了检查那些在科学上受到相对较少关注的微生物的价值。
更好的测序技术可能会揭示更多非传统的遗传密码、生物之间意想不到的关系，以及以前未知的细胞运作方式。
大自然可能还有更多遗传规则有待打破
对科学家来说，不寻常的遗传密码提供的不仅仅是生物学上的奇观。它们提供了机会来研究为什么遗传密码在大多数生命形式中如此一致，以及进化变化有时是如何改变其基本指令的。
了解这些自然变异也可以为合成生物学领域的努力提供参考，在该领域，研究人员试图修改遗传密码以赋予细胞新的能力，或使它们能够生产具有不寻常特性的蛋白质。
然而，导致纤毛虫中遗传密码具有非凡多样性的进化力量仍未被完全理解。
最初作为一项常规测序实验的工作，最终揭示了即使是生物学中一些最为人熟知的规则也有引人注目的例外。
正如McGowan所观察到的：
“科学家试图设计新的遗传密码——但它们也存在于大自然中。只要我们去寻找，就能发现迷人的事物。
“或者，就这次的情况而言，当我们没有刻意寻找它们的时候。”